和谐号动车组撒沙装置及控制

李邦国，孙栋栋，孙正军，张 宝

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

铁路周围的环境对轮轨黏着性能具有很大影响，包括树叶、植物、油脂、水、冰和雪等［1］。当这些污染物附着在钢轨上时，会使轮轨黏着急剧下降，从而导致列车的车轮滑行，造成车轮与钢轨的擦伤［2］。此外，诸如车轮踏面与钢轨表面的状态、线路质量等也是影响黏着的重要因素。增加轮轨黏着的主要措施是改变轮轨接触界面的状态。实际中有很多方法用于清除污染，如空气或水流喷射，它们都可以扫除树叶等轮轨接触面间的污染物。此外，轮轨增黏剂也常用来提高轮轨黏着性能，其中撒沙是最常用的增黏方法，也是増黏效果和经济性较为理想的一种［3］。在CRH3型动车组中，通过撒沙装置向轮轨接触面撒沙，从而改善轮轨间的黏着系数，提高动车组的运行品质。本文针对CRH3型动车组撒沙装置及控制进行了分析研究。

1 撒沙的作用

轨道车辆的运动是靠在轮轨之间接触点施加切向力实现的。根据黏着系数的不同，与法向力成比例的切向力是沿与法向力垂直的方向产生的，其大小因黏着系数而不同。对于轨道车辆，这种切向力既可用于加速，亦可用于减速。如果车轮和轨道都是清洁而又干燥的，即使不撒沙，可用黏着系数也是足够的。但是，如果接触表面潮湿或不清洁，黏着系数可能就会过低。在这种情况下，产生的切向力会小于牵引电动机或制动机施加的力，于是车轮开始空转或滑行。这种情况会使加速或制动列车所需要的距离增加。除了存在运行安全性降低的危险以及能量浪费外，还会使轨道或车轮磨损量增大，使维修成本大大提高，旅客舒适度也会受影响。解决这类问题最主要的方法就是防止轨道车辆在正常运行过程中发生车轮空转或打滑。撒沙使其黏着系数有一定程度的提高［4］。

2 撒沙装置

2.1 撒沙装置的组成

在和谐号CRH3动车组上，撒沙装置主要由沙箱盖、沙箱、辅助控制单元、沙量指示器、撒沙设备、撒沙加热管等组成。位于转向架上的撒沙装置如图1所示。

图1 转向架上的撒沙装置

其中，撒沙设备如图2所示。

图2 撒沙设备

2.2 撒沙装置的布置

在CRH3动车组中，撒沙装置位于EC01／EC08车的轮对1处及IC03／IC06车的轮对1和4处，如图3所示。

图3 撒沙装置在列车上的布置

2.3 沙质的要求

CRH3动车组上撒沙装置使用的沙有明确的技术要求。沙粒应该有棱角，且必须干燥、干净。沙粒的直径要求见表1：

2.4 撒沙设备工作原理

如图4所示，P1为撒沙供气接口，压缩空气由P1口进入，经加热设备32加热后进入沙箱，在压缩空气的推动下，沙流经Sg沙帽到达P3口。P2口为烘干供风，压缩空气由P2口进入后，经加热设备32加热，进入沙箱，对沙箱内的沙子进行烘干。烘干后的压缩空气如图示1）经排气喷嘴排出。沙箱内的沙位应为于hmin和hmax之间。

表1 沙粒直径及含量

图4 撒沙设备的工作原理

3 撒沙控制

撒沙系统辅助控制模块（F06）的气动原理图如图5所示。

图5 撒沙辅助控制模块气动原理图

从总风来的压缩空气通过1口进入辅助控制模块F06。辅助控制模块内的空气可通过F06.02塞门进行隔离。经过F06.02塞门后，压缩空气到达两个减压阀，F06.03减压阀的压力设定值为0.27MPa，为低压撒沙；F06.04减压阀的压力设定值为0.63MPa，为高压撒沙。为了使沙保持流畅和干燥，电磁阀F06.05控制到撒沙装置用于干燥作用的气流。F06.06电磁阀和F06.07电磁阀为速度控制电磁阀。如果列车速度达到高压撒沙的速度值，BCU控制F06.07电磁阀动作进行高压撒沙；如果列车速度达不到高压撒沙的速度值，BCU控制F06.06电磁阀动作进行低压撒沙。通过高低压撒沙也实现了撒沙量的优化。

图6 撒沙功能图

撒沙系统可分信号的产生、信号的分配和执行三部分，如图6所示。当司机按下撒沙按钮时撒沙开始，中央控制单元CCU（即图示列车控制）接受由按钮产生的撒沙信号后，检测列车行驶方向并分配相应地信号，通过车辆总线MVB和列车总线WTB将指令信号传递给局部控制单元（BCU），BCU控制F06模块上的电磁阀动作进而实现相应的功能。

4 可能存在的问题及需要进一步研究的问题

在撒沙设备中，当沙箱内压力达到一定值时，沙箱盖打开。撒沙设备在装配及实际应用过程中，沙箱盖与填料管的配合要求很高，见图7、图8所示。因加工误差及法兰焊接变形等因素导致填料管故障的概率较高。

此外，撒沙作为一种增黏的方式，增黏效果是一个重要问题。当撒沙量过于少时，轮轨的增黏效果不理想，达不到预期目的。当撒沙量过大时，压不完的沙子留在轨道上，后面车辆的车轮压在沙子上会起到增加阻力的作用。此外撒沙还对车轮磨耗有一定的影响。撒沙量及磨耗等问题需要进一步的研究和分析。

图7 填料管正面

图8 填料管背面

5 结束语

撒沙装置是和谐号动车组上增加轮轨黏着的一种方式。基于CRH3型动车组，对撒沙装置的组成、撒沙的作用、沙质要求、撒沙设备的工作原理及撒沙控制进行了阐述。对可能出现的故障进行了预测与分析，并对撒沙系统存在的需要进一步研究的问题进行了阐述。

［1］申 鹏，王文建，张鸿斐，等.撒沙对轮轨黏着特性的影响［J］.机械工程学报，2010，46（16）：74－78.

［2］ZHANG Weihua，CHEN Jianzheng，WU Xuejie，et al.Wheel／rail adhesion and analysis by using full scale rollerrig［J］.Wear，2002（253）：82－88.

［3］OSCAR A C，LI Zili，LEWIS R.A Laboratory investigation on the influence of the particle size and slip during sanding on the adhesion and wear in the wheel－rail contact［C］∥The CM2009Organizing Committee.The 8th Inernational Conference on Contact Mechanics and wear of Rail／Wheel Systems，September 15－18，Firenze，Italy：CM2009，2009：175－184.

［4］Wemer Bartling.铁路车辆新型撒沙系统［J］.国外内燃机车，2010（1）：10－14.